Итак, то, что наблюдали ученые в каждом случае, было понижением уровней метилирования ДНК в ответ на раздражитель. И, с молекулярной точки зрения, именно в этом и состоит проблема, поскольку никому не известно, как это происходит. В главе 4 мы рассматривали, как копирование метилированной ДНК приводит к тому, что на одной цепочке оказываются метиловые группы, тогда как на другой они отсутствуют. Фермент ДНМТ1 движется вдоль только что синтезированной цепочки и добавляет к ней метиловые группы, восстанавливая схему метилирования и используя в качестве образца исходную цепочку. Мы можем предположить, что у наших экспериментальных животных наблюдался недостаток фермента ДНМТ1, и поэтому уровни метилирования на гене падали. Это явление называется пассивным деметилированием ДНК.
Проблема в том, что в случае с нейронами этот механизм не работает. Нейроны принадлежат к необратимо дифференцированным клеткам — они находятся на самом дне уоддингтоновского ландшафта и не способны к делению, поэтому не копируют свою ДНК, так как для этого просто нет причин, как следствие, нейроны не могут утратить метилирование ДНК описанным в главе 4 способом.
Существует возможность, что нейроны просто удаляют метиловую группу с ДНК. В конце концов, ведь гистондеацетилазы удаляют ацетиловые группы с гистонов. Однако метиловая группа на ДНК представляет собой нечто иное. С химической точки зрения ацетилирование гистонов можно приблизительно сравнить с добавлением маленького кирпичика Лего к более сложной конструкции. Снова разделить их на самостоятельные элементы довольно просто. При метилировании ДНК сделать это невозможно. Метилирование ДНК больше похоже на соединение двух элементов Лего в одно целое супермощным клеем.
Химическая связь между метиловой группой и цитозином в ДНК настолько сильна, что долгие годы она считалась абсолютно неразрывной. В 2000 году группа исследователей из Института Макса Планка в Берлине показала, что это не так. Ученые продемонстрировали, что у млекопитающих на самых ранних стадиях развития отцовский геном претерпевает экстенсивное деметилирование ДНК. Мы уже встречались с ним в главах 7 и 8. Тогда мы только упомянули, что это деметилирование происходит прежде, чем зигота начинает делиться. Другими словами, метилирование ДНК удаляется без какого-либо копирования ДНК[222]. Это называется активным деметилированием ДНК.
А это значит, что существует прецедент удаления метилирования ДНК в неделящихся клетках. Возможно, в нейронах действует подобный механизм. По-прежнему не умолкают споры о том, как именно происходит активное удаление метилирования ДНК, даже на хорошо изученных этапах раннего развития. Еще более существенные разногласия наблюдаются в вопросе, как это происходит в нейронах. Одна из причин, по которым это настолько сложно установить, заключается в том, что в процесс активного деметилирования ДНК вовлечены самые разнообразные белки, осуществляющие этот процесс поэтапно и в строгой последовательности. Все это предельно затрудняет воспроизведение всего процесса в лабораторных условиях, что является золотым стандартом для подобного рода исследований.
Научные исследования, чему мы уже неоднократно были свидетелями, часто приводят к совершенно неожиданным открытиям, что и произошло в данном случае. Пока множество эпигенетиков искали фермент, удаляющий метилирование ДНК, одна из групп исследователей обнаружила ферменты, добавляющие нечто особенное к метилированной ДНК. Как это происходит, показано на рисунке 12.3. Самым удивительным стало то, что это явление привело практически к тем же последствиям, что и деметилирование нуклеиновой кислоты.
Рис. 12.3. Конверсия 5-метилцитозина в 5-гидроксиметилцитозин.С — углерод; Н — водород; N — азот; О — кислород. Для упрощения схемы некоторые атомы углерода намерено не показаны, но они присутствуют в местах соединения двойными линиями
Маленькая молекула под названием гидроксил, состоящая из одного атома кислорода и одного атома водорода, добавляется к метиловой группе, и в результате этого образуется 5-гидроксиметилцитозин. Эта реакция осуществляется ферментами ТЕТ1, ТЕТ2 или TET3[223].